Formation Bâtiment Durable - Bruxelles Environnement · Cette présentation n’abordera donc pas...

Systèmes de production de chaleur : principes et enjeux

Raphaël Capart

ICEDD asbl

Bruxelles Environnement

Formation Bâtiment Durable :

Les techniques (chaleur, ventilation, ECS): conception et régulation

2

Objectifs de la présentation

● Présenter les systèmes de production de chaleur « classiques » les

plus efficaces et envisageables dans des bâtiments énergétiquement

performants

● Aborder pour chaque système :

► Le principe de fonctionnement

► Les performances attendues

► Les conditions garantissant son fonctionnement optimal

► Les contraintes d’installation et d’exploitation

L’objectif étant de comprendre certains principes importants du

fonctionnement d’un système de production de chauffage afin de

disposer des bases pour arbitrer les choix qui se poseront au moment

de la conception

Cette présentation n’abordera donc pas de manière exhaustive tous les

moyens de production possibles.

3

1. Introduction, enjeux et notions préalables

2. Chaudières à condensation

2.1. Principes

2.2. Performances

2.3. Garantir leur fonctionnement optimal

3. Chauffage électrique direct

3.1. Notion d’énergie primaire

3.2. Types de chauffage électrique

3.3. Compenser la consommation par une installation photovoltaïque?

4. Chauffage à partir de biomasse

4.1. Aspect environnemental

4.2. Chaudières biomasse

4.3. Poêles biomasse

Plan de l’exposé


4

Qt : Pertes par transmission

Ql : Pertes par ventilation

Qs : Gains solaires

Qi : Gains internes

Be : Besoins nets en énergie

Psys : Pertes systèmes

Efinale : Cons. Finale

Eprim : Cons. primaire

Les flux thermiques d’un bâtiment

Source : Plate-forme Maison Passive a.s.b.l.

5

+ consommation des auxiliaires

L’installation de chauffage central


Source : Brochure PAE2

6

Type d'installation

Rendements en %

(hglobal = hproduction x hdistribution x hémission x hrégulation)

hproduction hdistribution hémission hrégulation hglobal

Ancienne chaudière

surdimensionnée, longue boucle

de distribution

75 .. 80 %

80 .. 85 %

90 .. 95 %

85 .. 90 %

46 .. 58 %

Ancienne chaudière bien

dimensionnée, courte boucle de

distribution

80 .. 85 %

90 .. 95 %

95 %

90 %

62 .. 69 %

Chaudière haut rendement,

courte boucle de distribution,

radiateurs isolés au dos,

régulation par sonde extérieure,

vannes thermostatiques, ...

90 .. 93 %

95 %

95 .. 98 %

95 %

77 .. 82 %

Rendement d’une installation de chauffage


Source : energie+

7



2.1. Principes

2.2. Performances










Plan de l’exposé

2.1 Chaudières à condensation - principes

● Combustion :

● Principe :

► condenser la vapeur d’eau

=> récupération de la chaleur

latente

● Comment ?

► Refroidir les fumées sous la

température de rosée

8

Gaz : CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O

Autres : CxHy + n O2 -> x CO2 + y/2 H2O

Vapeur ou liquide?

Source : energie+

2.1 Chaudières à condensation - principes

● PCI vs PCS

► PCS : pouvoir calorifique supérieur = quantité d’énergie contenue

dans le combustible si on condense toute la vapeur d’eau

► PCI : pouvoir calorifique inférieur = quantité d’énergie contenue

dans le combustible si on ne condense pas du tout la vapeur d’eau

PCS = PCI + chaleur latente d’évaporation

9

Quel potentiel?

Combustible PCI PCS PCS/PCI

Gaz naturel

H 9.88 kWh/m³N 10,94 kWh/m³N 1,11

Gaz naturel L 8.83 kWh/m³N 9.79 kWh/m³N 1,11

Mazout 11.88 kWh/kg 12.67 kWh/kg 1,06

10

5%

104%

>100% !?

2%

11% 11%

88% 92%

12% 8%

Pertes par évaporation

Pertes de chaleur

sensible

Chaudière standard

Chaudière à condensation

Chaleur utile

PCI

PCS

94% PCS

79% PCS

83% PCS

Chaudière basse

température

Un rendement > 100% ?!

2.2 Chaudières à condensation - performances

Exemple pour une chaudière gaz

Source : energie+

2.2 Chaudières à condensation - performances

● Rendements attendus :

● Par rapport à d’autres chaudières :

8 … 20 % d’économie sur la consommation annuelle

● Pour le choix d’une chaudière, comparer les

rendements annoncés par les fabricants à 30% de

charge

11

Quel potentiel?

hcomb = 100 … 108% hannuel = 97 … 105 %

● Grâce à l’eau de retour (à température la plus

basse possible)

► Émetteur à basse température (voir la présentation sur les systèmes d’émission)

► Régulation climatique

► Eviter les retours chauds

► Échangeur efficace

● Grâce à l’air comburant

12

Comment refroidir les fumées?

2.3 Chaudières à condensation – garantir leur fonctionnement optimal

13

Maintenir une température de retour la plus basse possible

• Point de rosée :

• gaz ~ 55 °C

• mazout ~ 47,5°C

• Amélioration du rendement

continue :

au plus les fumées sont

refroidies au plus le

rendement est élevé

Attention, même avec un échangeur efficace, la température des

fumées sera d’environ 5°C supérieure à celle de l’eau de retour


Source : energie+

14

Intérêt de la régulation climatique

Installation dimensionnée

en régime 90/70

Condensation durant une bonne partie de la saison de chauffe


Source : energie+

Source : energie+

15

Intérêt de la régulation climatique

Installation dimensionnée

en régime 70/50

Condensation durant toute la période de chauffe pour une chaudière

au gaz


Source : energie+ Source : energie+

● Le réglage du régulateur climatique :

► est unique

► dépend du degré d’isolation du bâtiment et du

surdimensionnement des corps de chauffe

● Idéalement, le réglage ne devrait pas être fait :

► par le chauffagiste

► au hasard en fonction des plaintes (les causes d’inconfort

peuvent avoir d’autres origines)

… mais par une personne vivant dans le bâtiment ou par le

service de maintenance, en tenant un historique des réglages

16

Paramétrage de la régulation climatique



17

Eviter les retours chauds !


Source : energie+

● Pour les chaudières à « petit volume d’eau », les

fabricants imposent souvent un débit minimal qui

devra être garanti par un by-pass ou une bouteille

casse-pression

18

Eviter les retours chauds lorsque c’est possible


Source : ICEDD

19

Régulation permettant d’éviter les retours chauds au travers d’une

bouteille casse-pression

● Circulateur chaudière

à vitesse variable

régulé en fonction de

la différence T1-T2

● Si T1-T2 > 1…2°C

QS > QP

par de retour chaud

dans la bouteille


Source : ICEDD

20

Intégrer un circuit à plus haute température p.ex. production d’ECS


Source : energie+

Source : energie+

21

Intégrer un circuit pour la production d’ECS


Source : Matriciel

Source : Matriciel

22

Intérêt de la modulation de puissance

● rendement de combustion augmente

(petite flamme dans grand échangeur)

● rendement saisonnier augmente

(moins d’arrêts)

● Plage de modulation possible :

10/20 -> 100%

● Surdimensionnement moins critique


Source : energie+

Source : energie+

23

Chaudières étanches

● Avantages :

► Meilleure sécurité si prise d’air extérieure

(limite les risques de mauvaise combustion et

de production de CO toxique)

► Meilleur contrôle de l’excès d’air

(si un ventilateur intégré est présent)

► Possibilité de modulation de puissance

(si un ventilateur intégré modulant est présent)

rendement de combustion parfois amélioré

pertes à l’arrêt réduites


Source : Viessmann

24

Tubage de la cheminée

● étanche à l’eau et résistant à la corrosion

● Raccordement « ventouse » possible


Source : GS waermesysteme GmbH Source : Detandt-Simon

25

Evacuation des condensats

● A l’égout

● Les condensats sont

acides

► Neutralisation nécessaire

pour chaudière mazout

► Conduits en matériaux

synthétiques

8

6

7

10

9

12

11

4

5

1

2

3

13

0

14 pH

basique

acide

Eau courante

Ammoniaque

Eau de mer

Eau distillée

Eau de pluie pure

Eau de pluie

Vinaigre

Jus de fruit

Acide fort

Condensats gaz

Condensats mazout


● L’air comburant est préchauffé

en refroidissant les fumées

après leur passage dans

l’échangeur avec l’eau de

chauffage

● Selon certains fabricants, ces

chaudières permettent une

« condensation permanente »

sans retour froid car l’air

comburant est toujours

relativement froid durant une

saison de chauffe (6,5°C en

moyenne à Bruxelles)

● Les conduits concentriques des

chaudière étanches jouent déjà

partiellement ce rôle

26

Condenser les fumées grâce à l’air comburant


Source : energie+

27



2.1. Principes

2.2. Performances










Plan de l’exposé

28

3.1 Notions d’énergie primaire

● Un rendement de production de 100% ! …

… sur énergie finale

● Mais un rendement de 40 % pour la transformation!

Uniquement pour besoins très faibles et/ou

appoints locaux, de courte durée

Vecteur

énergétique

Coût

(€/kWh)

Électricité 0,235

Gaz 0,079

Mazout 0,084

On retrouve un facteur équivalent pour

coût du kWh entre l’électricité et les

combustibles


3.2 Types de chauffage électrique

● Convecteurs électriques :

► Les choisir avec une régulation électronique

● Radiateurs à accumulation :

► À éviter car beaucoup de pertes à la régulation même

avec une sonde extérieure

29

Source : energie+

Source : energie+

● Chauffage rayonnant

► Plancher chauffant : à éviter car inertie importante

► Panneaux radiant

► Radiateur infrarouge : p.ex. en appoint dans une salle

de bain : sensation de confort instantanée pour une

température de l’air moindre

● Batterie sur la pulsion du système de ventilation

► Envisageable comme appoint dans les bâtiments

passifs et très basse énergie, pour faire face aux

périodes les plus froides

30

3.2 Types de chauffage électrique

Source : energie+

Source : energie+

Source : energie+

● Performances actuelles des panneaux :

► Entre 120 et 200 Wc/m²

► À Bruxelles, on produit environ 850 kWh pour 1 kWc installé dans les

meilleures condition (pas d’ombrage, orientation sud, inclinaison de 35°)

1 m² de panneau produit entre 102 et 170 kWh/an

3.3 Compenser la consommation par une installation photovoltaïque?

31

Source : IBGE

Source : IBGE

3.3 Compenser la consommation par une installation photovoltaïque?

32

Maison individuelle Petit immeuble à appartement

Passif Très basse

énergie Passif

Très basse

énergie

Superficie chauffée 200 m² 100 m²

BNE chauffage 3000 kWh 6000 kWh 1500 kWh 3000 kWh

Rendement émission/régulation 93%

Consommation chauffage

électrique direct 3226 kWh 6452 kWh 1613 kWh 3226 kWh

Superficie nécessaire pour couvrir

la consommation de chauffage 19 … 32 m² 38 … 64 m²

9 … 16

m²/appartement

19 … 32

m²/appartement

Attention à la

limite des 5 kWc

On ne considère que la consommation pour le chauffage !

Ne pas oublier l’ECS (si produite par électricité), la ventilation,

l’éclairage, les appareils électro-ménager, …

Envisageable Dépend du nombre

d’étages de l’immeuble

33



2.1. Principes

2.2. Performances










Plan de l’exposé


34

Un très bon bilan CO2

Pour autant que le bois utilisé soit renouvelé !

Source : Valbiom, Le chauffage au bois pour les particuliers

35

Emission locales polluantes problématiques en ville

Comparaison des émissions de polluants ramenés à l’unité d’énergie entrante dans les petites installations du

secteur domestique

(source : European Environment Agency, EMEP/CORINAIR Emission Inventory Guidebook)


36

Emission locales polluantes problématiques en ville

Comparaison des émissions de polluants ramenés à l’unité d’énergie entrante dans les différent type

d’installations (petites installations du secteur domestique)

(source : European Environment Agency, EMEP/CORINAIR Emission Inventory Guidebook)


37


Hypothèses : remplacement de 5% des chaudières au gaz par des

chaudières à pellets respectant le label allemand « der blaue Engel »

Selon une estimation de l’IBGE :

+35% de PM10 +20% de COV +57% de dioxine +10% de HAP

• Meilleur respect des objectifs de réduction d’émission

de CO2 et d’utilisation de SER

mais

• Augmentation de PM10 -> non respect des normes de

concentration

• Augmentation des COV et dioxine

• Augmentation des suies qui seront réglementées dans

le futur

Impact santé


38

Encombrement du stockage du combustible

L’approvisionnement en ville peut s’avérer plus délicat et plus couteux

Source : Valbiom, Le chauffage au bois pour les particuliers Source : Okofen

4.2 Chaudières biomasse

39

Chaudière au bois : bûches

1. Arrivée d’air primaire

2. Arrivée d’air secondaire

• Meilleur contrôle de la

combustion

• Combustion continue

• Combustion plus propre et plus complète • moins de cendres

• moins d’émissions polluantes

• Meilleur rendement (~85%)

Source : Protocole de collecte des donnée pour la certification de bâtiments résidentiels existants en Wallonie


40

Chaudière au bois : bûches

Inconvénients

► Manutention importante

› chargement quotidien

› évacuation des cendres

► Utilisation d’un ballon tampon recommandée

afin d’assurer un fonctionnement à puissance nominale

► Puissances disponibles peu adaptées à des

logements unifamiliaux énergétiquement performants

Source : Schmid

Source : KWB

4.2 Chaudière biomasse

41

Chaudière au bois : granulés

Très bon rendement de production (>90%)

• Alimentation en air et en

granulés contrôlée

• Modulation de la puissance

possible

• Il existe des modèles de faible puissance

(plage de modulation 2 … 8 kW)

adapté au logement unifamilial énergétiquement

performant

• Il existe des modèles à condensation mais nous n’en

connaissons pas les rendements

Source : Van Loo & al. 2002

4.2 Chaudières biomasse

42

Chaudière au bois : granulés

Confort d’utilisation comparable aux

chaudières traditionnelles

• Automatisation de : • alimentation en combustible

• contrôle du tirage

• décendrage

• nettoyage

• régulation

• Bonne autonomie

Inconvénients

► Installations moins compactes (stockage des granulés, etc.)

► coût

Source : Okofen


43

Poêle à bois

Risques Surpuissance/surchauffe :

Régulation limitée (rendement diminue si l’on s’écarte du fonctionnement nominal) Puissance délivré dans une seule pièce

Puissance minimale des modèles sur le marché reste élevée par rapport aux

besoins des bâtiments énergétiquement performants

Mauvais tirage dû à l’étanchéité du bâtiment (+ système C)

Points d’attentions :

Choisir un foyer étanche

Choisir un poêle à bois de faible

puissance correspondant aux

déperditions du bâtiment

Prise d’air extérieur

Rendements : 70 … 90 %

Source : Rika

4.3 Poêles biomasse

● Alimentation en granulés et en air contrôlée

► bonne combustion rendement ~ 90%

► modulation possible

● Régulation possible avec thermostat

d’ambiance programmable

● Risques de surpuissance/surchauffe

► Puissance délivrée dans une seule pièce

44

Poêle à granulés

Points d’attentions :

Choisir un modèle étanche

Choisir un modèle de faible puissance

adaptée aux besoins de l’espace desservi

Il existe des poêles de faible puissance : 1

à 4 kW

Prise d’air extérieur Source : Calimax

Ce qu’il faut retenir de l’exposé

● L’enjeu de la « basse température » est crucial pour les

chaudières à condensation :

► choix et dimensionnement du système d’émission

► système de régulation en température glissante et son

paramétrage

► schéma hydraulique

● Le recours au chauffage électrique direct est à éviter autant

que possible à l’exception d’usages très spécifiques et limités

dans le temps

● Le chauffage par biomasse présente un intérêt

environnemental certain mais attention à :

► logistique de l’approvisionnement et du stockage

► difficulté de trouver des puissances adaptées

► possibilités de régulation limitées

45

Outils, sites internet, etc… intéressants :

● www.energieplus-lesite.be

● www.cstc.be

● www.brusselsenvironment.be

● http://energie.wallonie.be

● CSTC, « NIT 235 - La chaudière à condensation»,

2008

● Valbiom, « Le chauffage au bois pour les

particuliers », 2004

46

http://www.energieplus-lesite.be/



http://www.cstc.be/

http://www.brusselsenvironment.be/

http://energie.wallonie.be/

http://energie.wallonie.be/

Références Guide Bâtiment Durable

http://guidebatimentdurable.bruxellesenvironnement.be

● Fiche G_ENE08: Choisir le meilleur mode de production et

de stockage pour le chauffage et l'eau chaude sanitaire

● Fiche G_ENE10: Garantir l'efficience des installations de

chauffage, d'eau chaude sanitaire et de refroidissement

47

http://guidebatimentdurable.bruxellesenvironnement.be/

Contact

Raphaël CAPART

Auditeur Energétique

ICEDD asbl

: 081 25 04 80

E-mail : [email protected]

48

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